專利名稱：燃?xì)廨啓C(jī)中引導(dǎo)熱燃?xì)獾募瘹夤艿闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一燃?xì)廨啓C(jī)中在燃燒室與渦輪葉片的進(jìn)氣口凸緣之間用以引導(dǎo)熱燃?xì)獾募瘹夤?，它是由一耐高溫和抗腐蝕的基礎(chǔ)金屬M(fèi)(襯底)在其內(nèi)側(cè)涂覆以抗高溫腐蝕和氧化的涂層而制成的。
在燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備中，在燃燒室外殼與渦輪葉片的進(jìn)氣接管之間的雙臂集氣管或叉形管，在熱的工作狀態(tài)下由于溫度、壓力和腐蝕而受到較大的應(yīng)力和磨損。
燃燒用的空氣在一壓縮機(jī)中被壓縮到很高的壓力，其主要部分用來在兩個(gè)燃燒室內(nèi)燃燒，一小部分用來冷卻受熱的金屬部件。
在燃燒室內(nèi)，空氣中的主要氧氣部分通過載碳體的燃燒而使之氧化，而氮?dú)馊宰鳛椴曩|(zhì)而保留在排氣中，排氣通過高壓的燃燒而處于很高的溫度，并從燃燒室流出而進(jìn)入叉形管，再從那里進(jìn)入渦輪機(jī)的葉片上而使之以高速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
集氣管或叉形管由一鐵鎳的基礎(chǔ)材料制成，它在高壓下特別是在高的氣體溫度下而受到腐蝕，其中氧氣使金屬表面氧化。
鎳基合金的合金元素如鋁、鉻或其他類似元素，可通過固定氧化層的形成而減少一種其他的氧化層。
但這種鈍態(tài)的氧化層不能防止氮的滲透，因此氮能逐漸同上述的合金元素形成氮化物或碳氮化物。這種形成通過氣體的高壓壓熱力學(xué)上是很容易的。
其結(jié)果是根據(jù)合金的成分和氮的溶解度在氧化層下面能形成AIN(氮化物)和/或鉻-碳氮化物。
這一方面將導(dǎo)致金屬中鋁濃度的分解而降低其氧化的阻力，并形成AIN針和/或鉻-碳氮化物，它會(huì)使金屬變脆。
這種機(jī)理不僅發(fā)生在叉形管的燃燒室中，而且也發(fā)生在供有冷卻空氣的外表面上，如果它未被冷卻到使所述的氣體-金屬反應(yīng)不能發(fā)生的程度的話。
作為高溫腐蝕的保護(hù)，集氣管的整個(gè)內(nèi)側(cè)覆蓋以單層的MCrAlY涂層，它的特征是具有一較高的鉻和鋁的含量，在這里使用的是在鎳基上施以31％鉻、11％鋁和0.6％釔的粉末噴涂。
通過提高鉻和鋁的含量并同釔相結(jié)合而成的HKO涂層提高了抗氧化和滲氮的阻力，從而提高了抗高溫腐蝕和氧化的阻力。
作為附加的腐蝕和熱的防護(hù)，在集氣管內(nèi)錐面的受熱表面上涂有絕熱涂層(TBC)。
絕熱涂層是一個(gè)由一粘合層和一陶瓷覆蓋層所組成的等離子噴涂系統(tǒng)，它起著涂層系統(tǒng)的絕熱作用。
粘合涂層除了用來粘合覆蓋層以外，還用以避免材料的高溫腐蝕/氧化。為了能最佳地滿足此兩種功能起見，此粘合層由一雙層的MCrAlY涂層組成，即所謂的粘合層A和B。
粘合層A是一種具有降低的鉻和鋁含量的可延伸的MCrAlY涂層，以保證長期最佳地粘合在襯底上。
粘合層B是一種具有增高的鉻和鋁含量的MCrAlY涂層，因此它除了提高抗高溫或氧化的阻力以外還能防止基礎(chǔ)材料的滲氮。
覆蓋層(頂層)由一ZrO2-Y2-O3陶瓷組成，由于其導(dǎo)熱性很小，所以能起到涂層的絕熱作用。
對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)部件所需的在中、高溫下，與從燃燒室排出的熱燃?xì)庵苯酉嘟佑|的耐高溫和抗腐蝕的保護(hù)層合金已經(jīng)發(fā)展了多種組成并可從市埸獲得，它們主要包括鎳、鉻、鈷、鋁和稀土金屬的混合物。
從WO89/07159中已知有用于金屬物體，特別是用于燃?xì)廨啓C(jī)葉片的多重保護(hù)層。據(jù)了解它對(duì)于這種物體的使用壽命而言具有極為重要的兩種不同的抗腐蝕機(jī)理。它有兩層相疊的保護(hù)層，其中內(nèi)層是用來保護(hù)溫度在600℃-800℃時(shí)的抗腐蝕作用，而外層是在800℃-900℃時(shí)為最佳。外部的覆蓋層還能附加作為一絕熱層。第一覆蓋層最好是一個(gè)擴(kuò)散層，其含鉻量大于50％和鐵和/或錳的含量大于10％；作為第二覆蓋層是一MCrAlY涂層，例如約有30％的鉻，約7％的鋁和0.7％的釔，它是在降低的壓力下，通過等離子噴涂來涂覆的。
從WO91/02108中已知有一種在溫度范圍從600℃-1150℃內(nèi)具有良好的抗腐蝕特性的保護(hù)層，特別適用于燃?xì)廨啓C(jī)部件，保護(hù)層的重量百分比為25-40％的鎳，28-32％的鉻，7-9％的鋁，1-2％的硅，0.3-1％的釔，其余為至少5％的鈷，以及不可避免的雜質(zhì)。也可采用不同的組分。通過額外附加一些錸能使保護(hù)層的特性進(jìn)一步提高。此效果只需添加少量錸便能達(dá)到。最好是錸的含量在4-10％之間。
涂層可通過等離子噴涂或蒸涂(PVD)來進(jìn)行，它特別適用于在鎳基或鈷基上的超級(jí)合金所制的燃?xì)廨啓C(jī)葉片上。其他燃?xì)廨啓C(jī)部件，特別是在入口溫度超過1200℃的燃?xì)廨啓C(jī)中，也能采用這種保護(hù)涂層。
從WO96/34128中已知有一種鎳或鈷的合金，在其上涂覆對(duì)來自燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的熱燃?xì)獾母邷馗g作用的保護(hù)層。
三重的保護(hù)層包括第一層由MCrAlY組成的粘合層疊合在待保護(hù)的金屬基體上，以及疊合外部氧化層上的第二層錨固層。
從WO96/34129中已知有一種在鎳或鈷合金基板上的金屬襯底，在其上涂覆以一抗高溫腐蝕的保護(hù)系統(tǒng)。
該保護(hù)系統(tǒng)由一中間層組成，它包括一疊合在鎳襯底上的粘合層和一疊合在鋯氧化物基體的外部陶瓷層上的錨固層。此外部的陶瓷層在這里是作為一絕熱層。
從DE424299已知有一種裝置，特別是燃?xì)廨啓C(jī)裝置，它的部件上具有一涂層。
那里，在燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)和在工作中與熱燃?xì)饨佑|的類似裝置中的部件設(shè)有一涂層，它不僅具有防腐蝕作用，而且還有催化作用。這里在溫度范圍超過600℃時(shí)部件設(shè)有一具有氧化催化作用的涂層，而溫度范圍在350℃-600℃時(shí)部件則設(shè)有一具有還原催化作用的涂層。對(duì)于第一種涂層采用在鑭錳基體上的具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)或尖晶石結(jié)構(gòu)的混合氧化物，而對(duì)于第二種涂層采用在鑭銅基體上的具有與上述同樣結(jié)構(gòu)的混合氧化物。
本發(fā)明的任務(wù)在于阻止或遠(yuǎn)遠(yuǎn)推遲在集氣管熱的內(nèi)表面上的燃?xì)馀c金屬的反應(yīng)，使部件的使用壽命顯著延長，并在集氣管經(jīng)冷卻的外表面上也阻止或推遲燃?xì)馀c金屬的反應(yīng)，使部件的使用壽命顯著延長。
此任務(wù)是根據(jù)權(quán)利要求1來解決的。從屬的權(quán)利要求涉及引導(dǎo)熱燃?xì)庥玫募瘹夤艿挠欣陌才拧?br> 按照本發(fā)明，在燃燒室外殼與渦輪之間用以引導(dǎo)熱燃?xì)獾募瘹夤芑虿嫘喂懿粌H在內(nèi)部而且在外部均設(shè)有一抗高溫腐蝕和氧化的涂層，它是由一單層的MCrAlY涂層組成，以阻止或推遲氮與集氣管金屬的反應(yīng)。在這里金屬基體M由一鐵-鎳或鐵-鉻合金(M=Ni或Cr)組成。
在具有31％的鉻，11％的鋁，0.6％的釔和其余為鎳的含量的抗高溫腐蝕和氧化的涂層中，鉻與鋁的含量是很高的，所以保護(hù)層對(duì)于氧化和滲氮具有很大的阻止?jié)摿?，因此具有很高的抗高溫腐蝕和氧化的能力。
整個(gè)叉形管內(nèi)部和外部的涂層是通過手動(dòng)或程序控制的MCrAlY等離子噴涂來實(shí)現(xiàn)的，其涂層厚度為60±40微米。
集氣管的內(nèi)錐在過渡到燃?xì)廨啓C(jī)處，在其單面附加覆蓋一絕熱層。此絕熱層如已知的那樣由一雙層的MCrAlY-涂層A和B-以及一陶瓷的覆蓋層組成。
粘合層A是一具有降低的鉻和鋁含量的可延伸的MCrAlY涂層，以便把此涂層粘合在集氣管的基礎(chǔ)材料上。
粘合層B符合于抗高溫腐蝕和氧化層的組成。
絕熱層通過一在鋯基上的陶瓷覆蓋層來作為補(bǔ)充，由于它的導(dǎo)熱性很小，所以能起絕熱作用。絕熱層由一厚度為60/60/250微米的涂層所組成。
集氣管在兩個(gè)進(jìn)氣口上附加設(shè)有一耐磨的涂層。
本發(fā)明的實(shí)施例將按照以下的示意圖予以說明，其中

圖1集氣管的多維視圖，圖2通過具有兩側(cè)HKO涂層的叉形管的截面3通過集氣管在兩個(gè)進(jìn)氣口中之一的區(qū)域的截面4通過絕熱層的截面1表示集氣管或叉形管1的多維視圖，在其上部區(qū)域設(shè)有兩個(gè)用于來自圖中未表示的燃燒室的熱燃?xì)膺M(jìn)氣口2。
集氣管1不僅在外部而且在內(nèi)部均覆蓋以一抗高溫腐蝕和氧化的涂層4。
熱氣(如箭頭所示)從兩個(gè)燃燒室通過進(jìn)氣口2而流入集氣管1，在其下部的集氣室3內(nèi)集合，然后離開集氣管1而流向渦輪機(jī)，在那里集氣管1借助一外部凸緣5和一內(nèi)部凸緣6連接在渦輪機(jī)的相應(yīng)的凸緣上。
圖2表示具有抗高溫腐蝕和氧化(HKO)涂層的叉形管側(cè)壁的一個(gè)截面，在基礎(chǔ)金屬9的兩側(cè)涂有一厚度為60微米的HKO涂層4。
圖3表示通過集氣管1的一個(gè)截面，集氣管1設(shè)置在未表示的燃燒室與其后面所連接的渦輪機(jī)之間。
熱的有腐蝕性的排氣離開燃燒室的混合管并通過進(jìn)氣口2而流入設(shè)在一未表示的外殼內(nèi)的燃燒室外殼凸緣與渦輪機(jī)凸緣之間的集氣管1內(nèi)。
在其兩側(cè)涂覆以HKO涂層4的集氣管1的基體金屬9的外部通過一冷卻介質(zhì)予以冷卻。
壓縮的熱燃?xì)獗灰朐谕咕?和6之間的集氣室3中，然后流入渦輪機(jī)中推動(dòng)帶有渦輪葉片的渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
集氣管1的進(jìn)氣口2在氣體入口區(qū)域內(nèi)附加設(shè)有一耐磨的涂層7。
內(nèi)錐13在凸緣區(qū)域內(nèi)附加覆蓋一絕熱層8來取代HKO涂層4。
根據(jù)圖4，絕熱層8由一雙層(A和B)MCrAlY涂層組成，其中A層10作為粘合基層疊合在基礎(chǔ)金屬9上，而B層11作為疊合在陶瓷層12上的粘合基層。
在內(nèi)錐區(qū)域內(nèi)，襯底/基礎(chǔ)金屬9的一側(cè)由HKO涂層4來保護(hù)，在另一側(cè)由絕熱層8來保護(hù)。
權(quán)利要求
1．一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)中在燃燒室與渦輪葉片的進(jìn)氣凸緣之間用以引導(dǎo)熱燃?xì)獾募瘹夤苁怯梢辉谀透邷睾涂垢g的基礎(chǔ)金屬M(fèi)上的內(nèi)側(cè)涂覆以抗高溫腐蝕和氧化的涂層而制成，其特征在于集氣管(1)的基礎(chǔ)金屬(9)不僅在其內(nèi)側(cè)而且在其外側(cè)涂覆以一抗高溫腐蝕和氧化的涂層(4)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的引導(dǎo)熱燃?xì)獾募瘹夤?，其特征在于基礎(chǔ)金屬M(fèi)由一鎳基的合金制成。
3．根據(jù)權(quán)利要求1和2的引導(dǎo)熱燃?xì)獾募瘹夤埽涮卣髟谟诳垢邷馗g和氧化涂層或MCrAlY涂層(4)的組成成分包括31％鉻，11％鋁和0.6％釔。
4．根據(jù)權(quán)利要求1-3的引導(dǎo)熱燃?xì)獾募瘹夤?，其特征在于?nèi)錐(13)的基礎(chǔ)金屬(9)附加地覆蓋一單層的絕熱涂層(8)。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的引導(dǎo)熱燃?xì)獾募瘹夤?，其特征在于絕熱層(8)由一雙層(A和B)的MCrAlY涂層(10,11)和一陶瓷覆蓋層(12)組成。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的引導(dǎo)熱燃?xì)獾募瘹夤?，其特征在于A層(10)是一可延伸的具有降低的鉻和鋁含量的MCrAlY涂層，而涂層B(11)是一具有增高的鉻和鋁含量的MCrAlY涂層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一燃?xì)廨啓C(jī)中設(shè)置在燃燒室與渦輪葉片之間的用以引導(dǎo)熱氣的集氣管(1),設(shè)有用以接收熱氣的兩個(gè)進(jìn)氣口(2)和出口。集氣管的材料是在一耐高溫和抗腐蝕的基礎(chǔ)金屬(9)上在其內(nèi)側(cè)和外側(cè)涂覆一抗高溫腐蝕和氧化的涂層(4)。在內(nèi)錐(13)的區(qū)域內(nèi),基礎(chǔ)金屬的一側(cè)涂覆一HKO涂層,在其對(duì)面的一側(cè)涂覆一絕熱層(8)。
文檔編號(hào)F02C7/00GK1231384SQ99103609
公開日1999年10月13日 申請(qǐng)日期1999年3月5日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月7日
發(fā)明者S·錢德拉, B·埃勒曼, W·施尼德爾斯, H·加斯曼 申請(qǐng)人:Ghh博西格渦輪機(jī)股份有限公司